DE102016101099A1

DE102016101099A1 - Zylinderblock aus verstärktem Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102016101099A1
Application number: DE102016101099.5A
Authority: DE
Inventors: Cliff E. Maki; Larry Dean Elie; Kevin Durand Byrd; Rickey L. Williams; Wolfram Buschhaus; Matt John Zaluzec
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2016-08-04
Also published as: CN105840334A; US9644568B2; CN105840334B; US20160222914A1

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zum Ausbilden einer Kraftmaschine bereitgestellt, die einen Kraftmaschinenblock aus duroplastischem Verbundwerkstoff umfasst. Ein beispielhaftes Verfahren beinhaltet ein Verstärken des Kraftmaschinenblocks mithilfe einer Mehrzahl von Metallstreifen, wobei ein erster Teil der Mehrzahl von Metallstreifen in einer im Wesentlichen quer verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks positioniert ist, und ein zweiter Teil der Mehrzahl von Metallstreifen in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks positioniert ist. Durch die Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Metall kann für eine zusätzliche Verstärkung des Kraftmaschinenblocks gesorgt werden.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kraftmaschine mit einem Zylinderblock aus thermogeformten Verbundwerkstoff mit in den Zylinderblock integrierten zusätzlichen Verstärkungsstreifen.
Hintergrund und Kurzdarstellung
Bei der Kraftmaschinengestaltung können Zielkonflikte zwischen Festigkeit, Gewicht und anderen Eigenschaften von Materialien auftreten, die zum Erstellen des Zylinderkopfes und -blocks verwendet werden. Zum Beispiel wird Gusseisen zum Herstellen von Zylinderblöcken verwendet. Gusseisen kann gegenüber anderen Materialien verschiedene Vorteile aufweisen, wie beispielsweise ein kleineres Verhältnis von Volumen zu Festigkeit und einen kleineren Reibungskoeffizienten, wodurch die Größe der Kraftmaschine verringert und die Langlebigkeit des Brennraums erhöht werden. Allerdings können Zylinderblöcke aus Gusseisen ein niedriges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen, können anfälliger für Korrosion sein und können unerwünschte Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Um ein Blockgewicht zu verringern und die Menge von auf Kühlwassermäntel übertragener Wärme zu erhöhen, können Zylinderblöcke aus Aluminium gegossen werden.
Eine Verringerung eines Blockgewichts kann auch durch Verwenden eines aus einem faserverstärkten Phenolharz hergestellten Kraftmaschinenblocks erreicht werden, wie von Holtzberg in der US-Patentschrift Nr. 4 848 292 gezeigt. Bei diesem Beispiel wird das Phenolharz als eine Matrix mithilfe von Glasfaser- oder Graphitfasern verstärkt. Der Kraftmaschinenblock kann mithilfe von Spritzgießen oder Formpressen hergestellt werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben mögliche Probleme bei dem Ansatz von Holtzberg erkannt. Zum Beispiel kann ein Spritzgießen von faserverstärktem Verbundwerkstoff zum Ausbilden von Kraftmaschinenblöcken eine ungleichmäßige Verteilung der Verstärkungsfasern zur Folge haben. Beispielsweise können die Verstärkungsfasern ungleichmäßig entlang kritischer Lastwege des Kraftmaschinenblocks verteilt sein. Bei einem anderen Beispiel verfügt der Verbundwerkstoff selbst möglicherweise nicht über die gewünschten mechanischen Eigenschaften, insbesondere entlang von Wegen, die dynamischen Lasten, Strukturlasten, thermischen Lasten und Lasten aus einer Befestigung an externen Vorrichtungen ausgesetzt sind.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die vorstehend genannten Probleme erkannt und einen Ansatz entwickelt, um die vorstehend genannten Probleme zumindest zum Teil anzugehen. Bei einem beispielhaften Ansatz wird ein Verfahren zum Formen eines Kraftmaschinenblocks bereitgestellt, das ein Verstärken des Kraftmaschinenblocks mithilfe einer Mehrzahl von Metallstreifen umfasst, wobei ein erster Teil der Mehrzahl von Metallstreifen in einer im Wesentlichen quer verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks positioniert ist, und ein zweiter Teil der Mehrzahl von Metallstreifen in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks positioniert ist. Auf diese Weise kann bei gleichzeitiger Verringerung eines Kraftmaschinengewichts eine zusätzliche Verstärkung entlang spezifischer Wege bereitgestellt werden, die möglicherweise höheren Lasten ausgesetzt sind.
Beispielsweise kann ein Kraftmaschinenblock aus einem duroplastischen Verbundwerkstoff mithilfe eines Formgebungsprozesses wie zum Beispiel Spritzgießen ausgebildet werden. Bei einem Beispiel kann der Verbundwerkstoff eine duroplastische Polymermatrix aufweisen, die mithilfe von Glas-, Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern verstärkt wird. Vor dem Beginn des Formgebungsprozesses kann eine Mehrzahl von zusätzlichen Verstärkungsstreifen aus Metall an vorgegebenen Stellen in einer Gussform des Kraftmaschinenblocks positioniert werden. Die Streifen können aus Metallen wie beispielsweise Titan, Titanlegierungen oder ähnlichen Materialien hergestellt sein, die über eine höhere spezifische Festigkeit verfügen. Ferner können sich die vorgegebenen Stellen in im Wesentlichen längs verlaufenden Richtungen entlang dem Kraftmaschinenblock und/oder im Wesentlichen quer verlaufenden Richtungen des Kraftmaschinenblocks befinden. Des Weiteren können sich Verstärkungsstreifen entlang einer im Wesentlichen vertikal verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks befinden. Ein Beispiel: Zu den vorgegebenen Stellen können Wannenschienen in einer Längsrichtung des Kraftmaschinenblocks, ein Zylinderkopfdeck in einer Querrichtung des Kraftmaschinenblocks, Zylinderkopfschraubenpfeifen in einer Vertikalrichtung des Kraftmaschinenblocks sowie andere ähnliche Bereiche zählen, die höheren Lasten ausgesetzt sein können. Während eines Spritzgießens kann der Verbundwerkstoff Räume um die Verstärkungsstreifen herum füllen und die Verstärkungsstreifen in der gebildeten Struktur des Kraftmaschinenblocks einkapseln. Die Verstärkungsstreifen können daher an gewünschten Stellen einstückig in den Zylinderblock eingeformt werden. Die Verstärkungsstreifen als solche können sich von den Verstärkungsfasern unterscheiden, die in der duroplastischen Polymermatrix verteilt sind. Es sollte außerdem beachtet werden, dass die Verstärkungsstreifen aus einem anderen Material als dem für den Kraftmaschinenblock verwendeten Verbundwerkstoff ausgebildet sein können.
Auf diese Weise kann ein Zylinderblock aus einem Leichtverbundwerkstoff weiter verstärkt werden, um gewünschte mechanische Eigenschaften zu bieten. Verstärkungsstreifen können entlang von Wegen in einer Gussform für den Zylinderblock positioniert werden, die beträchtlichen dynamischen Lasten, thermischen Lasten oder Strukturlasten ausgesetzt sein können. Auf diese Weise können spezielle Stellen in dem Zylinderblock zum Zweck einer verbesserten Leistung und Strukturstabilität verstärkt werden. Durch Integrieren zusätzlicher Verstärkungen dort, wo es gewünscht wird, können nachteilige Auswirkungen von nicht gleichmäßigen Verteilungen der Faserfüllung in der Polymermatrix während eines Formens verringert werden. Insgesamt können Struktureigenschaften des Zylinderblocks bei gleichzeitigem Beibehalten eines niedrigeren Kraftmaschinenblockgewichts verbessert werden.
Die vorstehend genannten Vorteile sowie andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Beschreibung sind leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung zu ersehen, wenn diese allein oder in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zur Kenntnis genommen wird.
Es sollte beachtet werden, dass die vorstehende Kurzdarstellung dazu dienen soll, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie ist nicht dafür bestimmt, Haupt- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu bezeichnen, dessen Schutzbereich durch die auf die ausführliche Beschreibung folgenden Ansprüche eindeutig definiert wird. Überdies ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Realisierungen beschränkt, durch die irgendwelche vorstehend oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebenen Probleme gelöst werden. Des Weiteren wurden die vorstehend angegebenen Probleme von den Erfindern der vorliegenden Erfindung erkannt, und es wird nicht anerkannt, dass diese Probleme bekannt sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Kraftmaschine, die einen Zylinderblock aus geformtem Verbundwerkstoff mit zusätzlichen Verstärkungsstreifen aufweist.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Kraftmaschine aus 1.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Zylinderblocks aus geformtem Verbundwerkstoff mit zusätzlichen Verstärkungsstreifen gemäß der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des Zylinderblocks aus geformtem Verbundwerkstoff aus 3.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende ausführliche Beschreibung betrifft ein Ausbilden eines Kraftmaschinenblocks einer Kraftmaschine in einem Fahrzeug, wie beispielsweise der in 2 dargestellten Kraftmaschine, die in dem Fahrzeug aus 1 enthalten ist. Der Kraftmaschinenblock kann aus einem duroplastischen Verbundwerkstoff hergestellt sein, wobei an speziellen Stellen Verstärkungsstreifen aus Metall einbezogen sind (3). Der duroplastische Verbundwerkstoff kann eine Matrix aufweisen, die ein duroplastisches Polymer mit Fasern umfasst, die zur Matrixverstärkung verwendet werden. Die Verstärkungsstreifen aus Metall können entlang verschiedener Richtungen des Kraftmaschinenblocks positioniert sein, darunter Längs-, Quer-, Vertikalrichtungen. Daher können zu den speziellen Stellen zum Positionieren der Verstärkungsstreifen Wege in dem Kraftmaschinenblock zählen, die höheren kritischen Lasten ausgesetzt sind. Die Verstärkungsstreifen können an gewünschten Stellen in einer Gussform des Kraftmaschinenblocks vor einem Einspritzen des duroplastischen Verbundwerkstoffs positioniert werden. Beim Einspritzen des duroplastischen Verbundwerkstoffs können die Streifen von dem duroplastischen Verbundwerkstoff in der Gussform und schließlich in dem geformten Kraftmaschinenblock eingekapselt werden. Ein Verfahren zum Ausbilden des Kraftmaschinenblocks gemäß der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezug auf 4 beschrieben. Auf diese Weise kann der Kraftmaschinenblock an gewünschten Stellen mithilfe zusätzlicher Verstärkungen verstärkt werden, die über eine höhere spezifische Festigkeit verfügen, was eine Verringerung eines Kraftmaschinenblockgewichts ermöglicht, während gleichzeitig für geeignete mechanische Eigenschaften gesorgt wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 50 mit einem Ansaugsystem 52, einer Kraftmaschine 54 und einer Auspuffanlage 56. Das Ansaugsystem 52 ist dafür ausgestaltet, den Zylindern 57 in der Kraftmaschine 54 Ansaugluft zuzuführen. Die Zylinder können auch als Brennräume bezeichnet werden. Ein Pfeil 58 zeigt eine Strömungsverbindung zwischen dem Ansaugsystem 52 und der Kraftmaschine 54. Das Ansaugsystem 52 kann insbesondere dafür ausgestaltet sein, jedem der Zylinder 57 in der Kraftmaschine 54 Ansaugluft zuzuführen. Das Ansaugsystem 52 kann verschiedene Ansaugleitungen, einen Ansaugkrümmer, eine Drossel usw. aufweisen. Darüber hinaus kann bei einem Beispiel ein Turbolader, der einen Verdichter und eine Turbine aufweist, zu der Kraftmaschine 54 zählen.
Die Kraftmaschine 54 weist einen Zylinderkopf 59 auf, der mit einer geformten Zylinderblockbaugruppe 60 gekoppelt ist, die die Mehrzahl von Zylindern 57 bildet. Die Zylinderblockbaugruppe 60 kann auch als eine Kraftmaschinenblockbaugruppe 60 oder einfach ein Kraftmaschinenblock 60 oder ein Zylinderblock 60 bezeichnet werden. Bei dem gezeigten Beispiel weist die Kraftmaschine drei Zylinder in einer Inline-Anordnung auf. Jedoch werden alternative Zylinderanordnungen und Zylindermengen in Betracht gezogen. Zum Beispiel können die Zylinder in Bänken in einer Anordnung des V-Typs angeordnet sein, die Zylinder können in einer horizontal gegenüberliegenden Anordnung angeordnet sein usw. Ein Mehrtakt-Verbrennungszyklus kann realisiert werden. Zum Beispiel werden Vier- oder Zweitakt-Verbrennungszyklen in Betracht gezogen. Es versteht sich, dass die in 1 dargestellte Kraftmaschine 54 eine strukturelle Komplexität aufweist, die nicht in 1 dargestellt ist. Die geformte Zylinderblockbaugruppe 60 kann insbesondere eine Mehrzahl von Komponenten aufweisen, die aus unterschiedlichen Materialien erstellt sein können. Zum Beispiel kann die geformte Zylinderblockbaugruppe 60 und damit die Kraftmaschine 54 einen Zylinderblock aus Verbundwerkstoff, eine in den Zylinderblock aus Verbundwerkstoff integrierte Mehrzahl von Verstärkungsstreifen sowie separate Zylinderlaufbuchsen aufweisen. Die Zylinderlaufbuchsen können einen Teil einer Begrenzung von jedem der drei Zylinder definieren. Die Verstärkungsstreifen in dem Zylinderblock aus Verbundwerkstoff werden nachfolgend mit Bezug auf 3 ausführlicher beschrieben.
Ein Pfeil 62 zeigt eine Strömungsverbindung zwischen der Kraftmaschine 54 und der Auspuffanlage 56. Es versteht sich, dass jeder der Zylinder 57 in der Kraftmaschine 54 in Strömungsverbindung mit der Auspuffanlage 56 stehen kann. Die Auspuffanlage 56 kann eine Mehrzahl von Komponenten aufweisen, wie beispielsweise einen Abgaskrümmer, Abgasreinigungsvorrichtungen (z.B. Katalysatoren, Filter usw.), Schalldämpfer usw.
2 zeigt eine schematische Veranschaulichung der Kraftmaschine 54, die mit einem Getriebe 70 gekoppelt ist. Der Zylinderkopf 59 wird gekoppelt mit einer Oberseite (bzw. einem Zylinderkopfdeck) der Kraftmaschinenblockbaugruppe 60 gezeigt. Der Kraftmaschinenblock 60 weist Kolben 36 auf, die sich in den Zylindern 57 hin- und herbewegen. Das dargestellte Beispiel umfasst drei Kolben, sodass jeder Zylinder 57 einen Kolben 36 aufweist, der sich in ihm hin- und herbewegt. Jeder Kolben 36 wird mit einer Kurbelwelle 40 gekoppelt gezeigt, sodass eine Hin- und Herbewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kurbelwelle übersetzt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein Getriebe 70 mit mindestens einem Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann ein Anlassermotor mit der Kurbelwelle 40 über ein Schwungrad 72 gekoppelt sein, um eine Startoperation der Kraftmaschine 54 zu ermöglichen. Das Getriebe 70, das Schwungrad 72 und der Anlassermotor können mindestens zum Teil in einer Kupplungsglocke 76 eingeschlossen sein. Ein Kurbelwellensensor 118, der mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt ist, kann als ein Kraftmaschinendrehzahlsensor verwendet werden. Zum Beispiel kann der Kurbelwellensensor 118 eine vorgegebene Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Impulsen bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle erzeugen, aus denen eine Motordrehzahl (RPM) ermittelt werden kann. Eine Ölwanne 64, die Schmieröl 66 enthält, wird mit einem Boden des Kraftmaschinenblocks 60 gekoppelt gezeigt. Bei einem Beispiel kann die Ölwanne 64 mechanisch mit dem Kraftmaschinenblock 60 entlang einer oder mehrerer Wannenschienen (gezeigt in 3) entlang einem Randbereich des Bodens des Kraftmaschinenblocks gekoppelt sein.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften geformten (z.B. thermogeformten) Zylinderblockbaugruppe, wie beispielsweise der Zylinderblockbaugruppe 60 aus 1 und 2. Der in 3 dargestellte Kraftmaschinenblock 60 ist maßstabsgerecht gezeichnet, obwohl andere relative Abmessungen verwendet werden können, wenn dies gewünscht wird. Wie bereits erwähnt, kann der Kraftmaschinenblock 60 aus einem Verbundwerkstoff hergestellt sein. Der Kraftmaschinenblock 60 kann auch eine Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aufweisen, die an speziellen Stellen in dem Verbundwerkstoff positioniert sind. Darüber hinaus kann der Kraftmaschinenblock 60 eine Zylinderlaufbuchse 315 aufweisen, die einen Teil der Begrenzung einer Mehrzahl von Zylindern 57 definiert. Die Zylinderlaufbuchse kann ein Metall umfassen (z.B. Pulvermetall) wie beispielsweise Eisen (z.B. Graphiteisen), Aluminium usw. Bei einer montierten Anordnung kann die Zylinderlaufbuchse 315 in einer Öffnung 320 in dem Zylinderblock 60 aus Verbundwerkstoff positioniert sein. Darüber hinaus kann die Zylinderlaufbuchse 315 aus einem einzigen durchgehenden Materialstück ausgebildet sein, wie bei dem dargestellten Beispiel. Allerdings werden andere Ausgestaltungen von Zylinderlaufbuchsen in Betracht gezogen.
Eine Anzahl geeigneter Herstellungsverfahren kann zum Erstellen des Zylinderblocks 60 aus Verbundwerkstoff genutzt werden. Zum Beispiel kann der Zylinderblock aus Verbundwerkstoff mithilfe eines Wärmehärtungsverfahrens wie beispielsweise Spritzgießen erstellt werden. Daher kann der Zylinderblock 60 aus Verbundwerkstoff bei einem Beispiel als ein Zylinderblock aus wärmegehärtetem oder duroplastischem Verbundwerkstoff bezeichnet werden. Zu geeigneten Materialien zum Erstellen des Zylinderblocks aus Verbundwerkstoff kann ein duroplastischer Verbundwerkstoff zählen, der ein Polymermaterial wie beispielsweise duroplastisches Harz als eine Matrix aufweist. Zu beispielhaften Polymeren für Matrizen zählen Epoxid, Phenolharze, Silikone usw. Die Polymermatrix kann durch eine Mehrzahl von in der Matrix verteilten nicht durchgehenden Fasern verstärkt sein. Die Fasern können aus Materialien mit, neben anderen Eigenschaften, höherer axialer Festigkeit, höherer Steifigkeit und niedrigerer Reaktivität ausgebildet sein. Die Fasern können zum Beispiel Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern usw. sein. Zu alternativen Beispielen kann zählen, zur Matrixverstärkung durchgehende Fasern zu verwenden.
Der Verbundwerkstoff des Kraftmaschinenblocks kann thermisch stabil sein, wenn er bei einer Verbrennungsoperation erzeugter Wärme ausgesetzt wird. Zum Beispiel kann der Verbundwerkstoff bei einem Beispiel bei einem Betrieb in einem Temperaturbereich zwischen 120 °C und 200 °C thermisch stabil sein. Allerdings weist der Verbundwerkstoff selbst möglicherweise nicht eine gewünschte Festigkeit zum Handhaben von Spannungen und Dehnungen auf, die in der Kraftmaschine beim Betrieb erzeugt werden. Zum Beispiel können bestimmte Stellen in dem Kraftmaschinenblock beim Betrieb einer höheren Belastung und Beanspruchung ausgesetzt sein. Dementsprechend kann an diesen Stellen durch Integrieren einer Mehrzahl von Verstärkungsstreifen in den duroplastischen Verbundwerkstoff an diesen speziellen Stellen für eine zusätzliche Verstärkung gesorgt werden. Die Mehrzahl von Verstärkungsstreifen kann bei einem Beispiel aus Metall ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan hergestellt sein. Titan bietet ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und auch eine niedrige Reaktivität sowie eine höhere Duktilität. Bei einem anderen Beispiel können zum Ausbilden der Verstärkungsstreifen Titanlegierungen verwendet werden. Zusätzlich und alternativ können auch Kohlenstofffaserstreifen verwendet werden. Daher können andere Materialien mit höheren spezifischen Festigkeiten als Verstärkungsstreifen in Betracht gezogen werden.
Es versteht sich, dass sich die Mehrzahl von Verstärkungsstreifen, die aus Metall, z.B. Titan, oder ähnlichen Materialien hergestellt sind, von der Mehrzahl von in der duroplastischen Polymermatrix verteilten Verstärkungsfasern unterscheiden und davon getrennt sind. Daher kann es sich bei den verstärkenden Titanstreifen um ein zusätzliches Verfahren zum Verstärken des duroplastischen Kraftmaschinenblocks handeln. Ferner sind die Verstärkungselemente (Streifen) keine nicht durchgehenden (oder durchgehenden) Fasern, sondern weisen eine größere Breite auf als die die Polymermatrix verstärkenden Fasern. Darüber hinaus können die verstärkenden Streifen aus einem Material (z.B. Titan) hergestellt sein, das sich von dem zur Faserfüllungs-Matrixverstärkung verwendeten (z.B. Glas, Aramid usw.) unterscheidet.
Abbildung 370 in 3 stellt einen beispielhaften Verstärkungsstreifen 375 dar, der als ein Bandstreifen gestaltet ist, wobei eine Nenndicke relativ zu Breite und Länge ist. Die Länge und Breite von jedem der Streifen können auf Grundlage der Stelle in dem Kraftmaschinenblock variieren, an der der Streifen möglicherweise platziert wird. Allerdings kann ein gegebener Verstärkungsstreifen eine einheitliche Breite und Dicke aufweisen. Bei einem Beispiel können die Verstärkungsstreifen eine Dicke von 5 mm aufweisen. Bei einem anderen Beispiel können die Streifen 1 mm dick sein. Alternative Dicken sind möglich.
Wie in Abbildung 370 gezeigt, kann der Verstärkungsstreifen 375 eine Mehrzahl von ovalen Löchern 372 aufweisen, die entlang einer Mittellinie 376 des Verstärkungsstreifens 375 verteilt sind. Löcher mit anderen Formen (wie beispielsweise kreisförmig, rechteckig, quadratisch usw.) können anstelle der dargestellten ovalen Löcher verwendet werden. Ferner kann die Größe (und Anzahl) der Löcher derart gewählt werden, dass die Festigkeit des Verstärkungsstreifens nicht beeinträchtigt wird. Zusätzlich zu den Löchern 372 kann der Randbereich des Verstärkungsstreifens 375 mit halbkreisförmigen Ausschnitten 374 perforiert sein. Daher können die Löcher 372 und Ausschnitte 374 entlang dem Rand des Verstärkungsstreifens 375 ein Einkapseln durch den duroplastischen Verbundwerkstoff ermöglichen. Anders ausgedrückt: Die Löcher 372 entlang der Mittellinie 376 und die Ausschnitte 374 entlang jedem Rand des Verstärkungsstreifens 375 können ermöglichen, dass der duroplastische Verbundwerkstoff (z.B. Harzmatrixmaterial mit Faserverstärkung) mindestens zum Teil die Verstärkungsstreifen umhüllt, wodurch eine bessere Verbindung während des Spritzgießvorgangs zum Ausbilden des Kraftmaschinenblocks aus Verbundwerkstoff ermöglicht wird.
Wie bereits erläutert, enthält die verbleibende Beschreibung aus Titan hergestellte Verstärkungsstreifen, obwohl andere Materialien für die Verstärkungsstreifen in Betracht gezogen werden. Zurück zu dem Kraftmaschinenblock 60 aus 3: Es sollte beachtet werden, dass der Kraftmaschinenblock 60 möglicherweise nicht maßstabsgerecht gezeichnet ist. Ferner werden drei Achsen, die die drei Richtungen (z.B. längs, quer und vertikal) relativ zu dem Kraftmaschinenblock 60 darstellen, zur Bezugnahme in der folgenden Beschreibung gezeigt.
Der Zylinderblock 60 aus Verbundwerkstoff weist eine Oberseite 312, eine Unterseite 313 (oder untere Fläche 313), eine Vorderseite 318 (oder vordere Fläche 318), eine Rückseite 316 (oder hintere Fläche 316), eine erste (laterale) Seitenfläche 317 und eine zweite (laterale) Seitenfläche 319 auf. Eine Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 mit Befestigungsöffnungen 322 wird auf der Rückseite 316 des Kraftmaschinenblocks 60 gezeigt. Die Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 kann mit der Kupplungsglocke 76 über Befestigungsöffnungen 322 gekoppelt sein (z.B. mechanisch). Ferner kann die Kurbelwelle 40 mit dem Getriebe 70 mithilfe des Schwungrads 72 (nicht in 3 gezeigt) gekoppelt sein. Des Weiteren kann die Vorderseite 318 eine Befestigungsanschlussstelle 308 zum Ankoppeln an eine vordere Kraftmaschinenabdeckung (nicht gezeigt) aufweisen.
Eine Biegung der Kraftmaschinen-Getriebeeinheit kann an der Anschlussstelle von Getriebe und Zylinderblock beobachtet werden und kann eine zusätzliche konstruktive Unterstützung erforderlich machen. Diese konstruktive Unterstützung kann durch Platzieren von Verstärkungsstreifen 368 und 366 aus Titan (oder einem anderen Material) entlang verschiedener Teile des Gehäuses entlang der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle, die mit der Kupplungsglocke 76 gekoppelt sind, ermöglicht werden. Wie in 3 dargestellt, sind die Verstärkungsstreifen 366 und 368 in Bögen entlang gekrümmter Flächen der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 positioniert. Wie gezeigt, kann jeder der gewölbten Verstärkungsstreifen 366 und 368 ein einziger vollständiger Streifen sein. Bei anderen Beispielen kann jeder der gewölbten Verstärkungsstreifen 366 und 368 aus kürzeren Abschnitten bestehen.
Auf die Kraftmaschinen-Getriebeeinheit einwirkenden Biegekräften kann mindestens zum Teil durch Integrieren zusätzlicher Verstärkungsstreifen entlang verschiedener Rippen 336 der Kupplungsglocken-Anschlussstelle entgegengewirkt werden. Wie in 3 zu sehen ist, können mehrere Rippen 336 zur Unterstützung in der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 positioniert sein. Bei dem dargestellten Beispiel werden die Rippen 336 relativ zu dem gewölbten Verstärkungsstreifen 368, der in eine Gehäuseanschlussstelle integriert ist, in radialen Richtungen angeordnet gezeigt. Ein Integrieren von Verstärkungsstreifen kann ermöglichen, dass statischen und dynamischen Lasten entlang den Rippen 336 der quer verlaufenden Befestigungs-Anschlussstelle 306 zumindest zum Teil entgegengewirkt wird.
Zur Erläuterung: Verstärkungsstreifen 381, 382, 383, 384, 351 und 386 können in die Rippen 336 einbezogen sein, wie in 3 gezeigt. Ferner kann ein Verstärkungsstreifen 385 entlang einer zusätzlichen Rippe 330 in Richtung auf einen unteren Teil der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 hin einbezogen sein. Die Verstärkungsstreifen 381, 382, 383, 384, 385 und 386 können entlang den Rippen in einer Richtung positioniert sein, die sich von im Wesentlichen vertikal, im Wesentlichen quer (oder horizontal) und im Wesentlichen längs (oder in Längsrichtung) unterscheidet. Der Verstärkungsstreifen 351 kann jedoch in der Rippe 336 in der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 platziert sein. Wie in 3 dargestellt, kann der Verstärkungsstreifen 351 ein einziger vollständiger Streifen in der Rippe 336 sein. Im Wesentlichen quer verlaufende Verstärkungsstreifen 331 und 329 können entlang einer Rippe 339 integriert sein. Die Rippe 339 kann in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 angeordnet sein und verläuft möglicherweise relativ zu dem gewölbten Verstärkungsstreifen 368 nicht in einer radialen Richtung. Bei anderen Ausführungsformen kann ein einziger im Wesentlichen quer verlaufender Streifen anstelle der Verstärkungsstreifen 331 und 329 verwendet werden. Ferner können anstelle eines einzigen im Wesentlichen vertikalen Streifens 351 zwei getrennte Streifen verwendet werden, da die Rippe 339 die Rippe 336 bei der dargestellten Ausführungsform schneidet.
Für eine zusätzliche Unterstützung der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle kann durch Integrieren der Verstärkungsstreifen 333 und 389 in Richtung auf die zweite Seitenfläche 319 der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 hin gesorgt werden. Ein im Wesentlichen quer verlaufender Verstärkungsstreifen 327 kann ebenfalls in Richtung auf einen oberen Teil der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 hin, oberhalb des gewölbten Verstärkungsstreifens 366, integriert werden. Daher kann der Verstärkungsstreifen 327 entlang einer quer verlaufenden Fläche der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 integriert werden, wobei sich die quer verlaufende Fläche in Richtung auf einen oberen Teil der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle hin, oberhalb des gewölbten Verstärkungsstreifens 366, befindet.
Es versteht sich, dass zusätzlich zu den in 3 dargestellten weitere Verstärkungsstreifen in den Kraftmaschinenblock 60 integriert werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können sich Verstärkungsstreifen entlang von Bereichen in dem Gehäuse der Kurbelwelle 40 befinden. Beispielsweise können ein oder mehrere im Wesentlichen längs verlaufende Verstärkungsstreifen parallel zu der Kurbelwelle 40 entlang einem inneren Rand des Gehäuses in einem Kurbelgehäuse positioniert sein. Ein anderes Beispiel: Ein oder mehrere im Wesentlichen vertikale Streifen können entlang der ersten Seitenfläche 317 entlang von Bereichen angeordnet sein, die möglicherweise höheren Beanspruchungen ausgesetzt sind. Noch ein anderes Beispiel: Ein oder mehrere im Wesentlichen längs verlaufende Streifen können Schienen entlang einer unteren Fläche 313 des Kraftmaschinenblocks 60 verstärken, obwohl dies nicht in 3 gezeigt wird. In ähnlicher Weise können in 3 dargestellte Verstärkungsstreifen bei anderen Ausführungsformen auf Grundlage von Kraftmaschinenblockgestaltungen und kritischer Belastung ausgesetzten Bereichen oder Wegen entfallen, ohne dass von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abgewichen würde.
Weiter mit der Kraftmaschinenblockbaugruppe 60 aus 3: Die Oberseite 312 des dargestellten Zylinderblocks aus verstärktem Verbundwerkstoff, auch als Zylinderkopfdeck 312 bezeichnet, weist Öffnungen für eine Zylinderkopfbefestigung 334, Öffnungen für einen Kühlmittelkanal 324 sowie Hohlräume für einen Ölkanal 332 auf. Es sollte beachtet werden, dass möglicherweise nicht alle Öffnungen nummeriert sind. Die Öffnungen für eine Zylinderkopfbefestigung 334 können ein Verbinden des Zylinderkopfes 59 mit dem Zylinderkopfdeck 312 des Kraftmaschinenblocks 60 mithilfe von Schrauben oder anderen geeigneten Befestigungsvorrichtungen ermöglichen. Die Hohlräume für den Ölkanal 332 können einen Durchfluss von Öl ermöglichen, das von dem Zylinderkopf 59 in Richtung auf die Ölwanne zurückströmt. Daher können Hohlräume für den Ölkanal 332 in Strömungsverbindung mit dem Zylinderkopf und der Ölwanne stehen, und diese Hohlräume können die Zylinder 57 umgeben. Die Zylinder 57 können die Zylinderlaufbuchse 315 aufweisen, die eine Trennung der Zylinder 57 von den Zylinderblock 60 bildendem Verbundwerkstoff ermöglicht.
Ähnlich den Öffnungen für einen Ölkanal können Öffnungen für einen Kühlmittelkanal 324 ermöglichen, dass Kühlmittel um den Randbereich der Zylinder 57 strömt, um Wärme zu absorbieren. Wie in 3 gezeigt, können Kühlmittelkanäle 354 Kühlmittel von den Öffnungen für Kühlmittelkanäle 324 auf dem Zylinderkopfdeck 312 in Richtung auf die untere Fläche 313 des Kraftmaschinenblocks 60 hin strömen lassen. 3 stellt Verstärkungsstreifen 353 und 355 dar, die die Kühlmittelkanäle 354 auf der zweiten Seitenfläche 319 des Kraftmaschinenblocks 60 verstärken. Ähnliche Kühlmittelkanäle können auf der ersten Seitenfläche 317 des Kraftmaschinenblocks 60 einbezogen und in ähnlicher Weise durch Titanstreifen verstärkt sein. Die Verstärkungsstreifen 353 und 355 können in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 angeordnet sein.
Auf die Kraftmaschinen-Getriebeeinheit einwirkende Biegekräfte können sich auf das Zylinderkopfdeck 312 auswirken, während Verbrennungs-Lastwege entlang von Zylinderkopfschraubenpfeifen und Hauptlagersäulen (der Kurbelwelle 40) auftreten können. Diesen Kräften kann zumindest zum Teil durch Platzieren von verstärkenden Titanstreifen entlang dem Zylinderkopfdeck 312 und entlang von Zylinderkopfschraubenpfeifen und Hauptlagersäulen (nicht gezeigt) entgegengewirkt werden. Wie in 3 dargestellt, kann der Verstärkungsstreifen 325 entlang der quer verlaufenden Kante 304 auf der Rückseite 316 des Zylinderkopfdecks 312 positioniert sein. Der Verstärkungsstreifen 325 entlang der quer verlaufenden Kante 304 auf der Rückseite 316 des Zylinderkopfdecks 312 kann sich in etwa von der ersten Seitenfläche 317 in Richtung auf die zweite Seitenfläche 319 hin erstrecken. Ein ähnlicher Verstärkungsstreifen kann an der quer verlaufenden Kante 304 der Vorderseite 318 (nicht gezeigt) integriert sein.
Um Verbrennungslasten entlang von Kopfschraubenpfeifen und Hauptlagersäulen, die innerhalb des Kraftmaschinenblocks 60 angeordnet sein können, zumindest zum Teil entgegenzuwirken, können für zusätzliche Stabilität und Unterstützung Verstärkungsstreifen um diese Elemente herum angeordnet werden.
Ein Biegen der Kraftmaschinen-Getriebeeinheit kann auch entlang von einer oder mehreren Wannenschienen 352 in Richtung auf einen Boden (oder eine Unterseite 313) der Zylinderblockbaugruppe 60 hin beobachtet werden. Wie bereits beschrieben, kann die Ölwanne 64 mit dem Kraftmaschinenblock 60 entlang einem Randbereich des Bodens (oder der unteren Fläche 313) des Zylinderblocks 60 mithilfe einer oder mehrerer Wannenschienen 352 gekoppelt sein. Beanspruchungen von dem Getriebe 70 entlang den Wannenschienen 352 kann zumindest zum Teil durch Integrieren eines verstärkenden Titanstreifens 341 in die eine oder mehrere Wannenschienen 352 entgegengewirkt werden. Daher kann der Verstärkungsstreifen 341 in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 positioniert sein. Ferner kann der Verstärkungsstreifen 341 ein einziger, in Längsrichtung verlaufender Streifen sein, der in eine Gesamtheit jeder Wannenschiene 352 integriert ist. Bei alternativen Ausführungsformen auf Grundlage von Kraftmaschinengestaltung kann der Verstärkungsstreifen 341 aus unterscheidbaren und separaten Streifen bestehen. Die zweite Seitenfläche 319 weist ebenfalls im Wesentlichen in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsstreifen 343, 345 und 347 auf, die in einem Ölkanal 356 angeordnet sind. Ähnliche Verstärkungsstreifen können in andere Ölkanäle in dem Kraftmaschinenblock 60 einbezogen sein, obwohl dies nicht speziell dargestellt ist.
Es versteht sich, dass, obwohl 3 den in Längsrichtung verlaufenden Verstärkungsstreifen 341 auf der Wannenschiene 352 liegend zeigt, der Verstärkungsstreifen 341 in der Wannenschiene 352 eingekapselt sein kann, sobald der Kraftmaschinenblock 60 geformt wurde. Die Darstellung der Verstärkungsstreifen oben auf verschiedenen Flächen, wie in 3 gezeigt, dient der visuellen Klarheit. In ähnlicher Weise können andere Verstärkungsstreifen in 3 als auf einer Fläche von Rippen, Schienen usw. liegend dargestellt sein, während sie tatsächlich in den Rippen, Schienen, Strukturen usw. einstückig eingekapselt sind.
Eine konstruktive Unterstützung des Kraftmaschinenblocks 60 kann durch Integrieren von Verstärkungsstreifen entlang von mehreren Rippen und Teilen eines Rahmens des Kraftmaschinenblocks verbessert werden, wie an der zweiten Seitenfläche 319 gezeigt. Zum Beispiel können Verstärkungsstreifen 390, 391, 337, 393, 392 und 335 entlang verschiedener Teile der Tragstruktur des Kraftmaschinenblocks 60 einbezogen sein.
Es sollte beachtet werden, dass die in der Zylinderblockbaugruppe 60 aus 3 verteilte Mehrzahl von Titanstreifen einen ersten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aufweisen kann, der in einer im Wesentlichen quer verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 positioniert ist, einen zweiten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen, der in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 positioniert ist, einen dritten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen, der in einer im Wesentlichen vertikal verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 positioniert ist, und einen vierten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen, der in einer im Wesentlichen nicht quer, nicht vertikal und nicht längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 positioniert ist. Zur Erläuterung: Der erste Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen kann in einer Richtung angeordnet sein, die im Wesentlichen parallel zu einer Querrichtung des Kraftmaschinenblocks 60 verläuft, aber möglicherweise nicht in einer (oder nicht parallel zu einer) vollständig quer verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks 60 verläuft. Zum Beispiel kann der erste Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen in einer Richtung angeordnet sein, die innerhalb von 15º zu der Querrichtung des Kraftmaschinenblocks verläuft. Insbesondere kann der erste Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen Verstärkungsstreifen aufweisen, die in Winkeln in einem Bereich von 0º bis 15º relativ zu der Querrichtung des Kraftmaschinenblocks positioniert sind, wobei 0º eine genaue Parallele zu der Querrichtung anzeigt. Es versteht sich, dass eine erste Menge des ersten Teils der Verstärkungsstreifen relativ zu der Querrichtung in etwa 5º positioniert sein kann, während eine zweite Menge des ersten Teils der Verstärkungsstreifen relativ zu der Querrichtung in etwa 10º angeordnet sein kann. Jedoch wird jeder aus der ersten Menge und der zweiten Menge von Verstärkungsstreifen als zu dem ersten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen gehörend angesehen werden.
Bei einem anderen Beispiel kann der erste Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen Verstärkungsstreifen aufweisen, die in einem Winkel von bis zu 10º zu der Querrichtung des Kraftmaschinenblocks positioniert sind. Bei noch einem anderen Beispiel kann der erste Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen genau parallel zu der Querrichtung des Kraftmaschinenblocks positioniert sein.
In ähnlicher Weise kann der zweite Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks platziert sein. Bei einem Beispiel kann der zweite Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen genau in der Längsrichtung des Kraftmaschinenblocks platziert sein. Bei einem anderen Beispiel kann der Positionierungswinkel des zweiten Teils der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen bis zu 10º zu der Längsrichtung des Kraftmaschinenblocks betragen. Es versteht sich, dass eine erste Menge des zweiten Teils der Verstärkungsstreifen relativ zu der Längsrichtung bei etwa 6º positioniert sein kann, während eine zweite Menge des zweiten Teils der Verstärkungsstreifen relativ zu der Längsrichtung bei etwa 10º angeordnet sein kann. Jedoch wird jeder aus der ersten Menge und der zweiten Menge von Verstärkungsstreifen als zu dem zweiten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen gehörend angesehen.
In gleicher Weise kann der dritte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung des Kraftmaschinenblocks platziert sein. Daher ist der dritte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen möglicherweise nicht in einer genau vertikalen Richtung des Kraftmaschinenblocks platziert. Zum Beispiel kann der dritte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen diejenigen Verstärkungsstreifen aufweisen, die in einem Winkel von 20º relativ zu der Vertikalrichtung des Kraftmaschinenblocks angeordnet sind.
Bei einem anderen Beispiel können Verstärkungsstreifen, die in Winkeln von bis zu 5º zu der Vertikalrichtung des Kraftmaschinenblocks positioniert sind, als zu dem dritten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen gehörend angesehen werden. In diesem Zusammenhang versteht es sich, dass eine erste Menge des dritten Teils der Verstärkungsstreifen relativ zu der Vertikalrichtung bei etwa 2º positioniert sein kann, während eine zweite Menge des dritten Teils der Verstärkungsstreifen relativ zu der Vertikalrichtung bei etwa 4º angeordnet sein kann. Jedoch wird jeder aus der ersten Menge und der zweiten Menge von Verstärkungsstreifen als zu dem dritten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen gehörend angesehen.
Alternativ können auch Verstärkungsstreifen, die zu der Vertikalrichtung parallel sind, als der dritte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen angesehen werden.
Verstärkungsstreifen, die in einer Richtung positioniert sind, die nicht im Wesentlichen vertikal, längs oder quer verläuft, können als zu dem vierten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen gehörend angesehen werden. Wenn zum Beispiel der erste Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen Verstärkungsstreifen aufweist, die in Winkeln von bis zu 5º (wie 0 bis 5º) zu der Querrichtung des Kraftmaschinenblocks platziert sind, und wenn der zweite Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen Verstärkungsstreifen aufweist, die in Winkeln von bis zu 5º (wie 0 bis 5º) zu der Längsrichtung des Kraftmaschinenblocks platziert sind, und wenn der dritte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen Verstärkungsstreifen aufweist, die in Winkeln von bis zu 5º (wie 0 bis 5º) zu der Vertikalrichtung des Kraftmaschinenblocks platziert sind, weist der vierte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen Verstärkungsstreifen auf, die in Winkeln größer als 5º zu der Querrichtung, der Längsrichtung und der Vertikalrichtung des Kraftmaschinenblocks platziert sind. Daher können Verstärkungsstreifen, die nicht als der erste Teil oder der zweite Teil oder der dritte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen angesehen werden, in dem vierten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen enthalten sein. Gewölbte Verstärkungsstreifen 366 und 368 können ebenfalls in dem vierten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen enthalten sein.
Bei dem dargestellten Beispiel aus 3 zählen zu dem ersten Teil der Mehrzahl von verstärkenden Titanstreifen die Verstärkungsstreifen 335, 337, 333, 325, 327, 329 und 331. Daher sind die Verstärkungsstreifen 335, 337, 333, 325, 327, 329 und 331 in einer im Wesentlichen quer verlaufenden Richtung positioniert oder verlaufen im Wesentlichen parallel zu einer Querrichtung der Kraftmaschinenbaugruppe 60. In ähnlicher Weise können zu dem zweiten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen die Verstärkungsstreifen 341, 343, 345 und 347 zählen. Daher kann jeder der Verstärkungsstreifen 341, 343, 345 und 347 in einer Richtung angeordnet sein, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsrichtung der Zylinderblockbaugruppe 60 verläuft. Zu dem dritten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen können die Verstärkungsstreifen 355, 353 und 351 zählen, von denen jeder in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung dargestellt wird oder im Wesentlichen parallel zu einer Vertikalrichtung des Kraftmaschinenblocks 60 verläuft. Zu dem vierten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen können die Verstärkungsstreifen 392, 393, 390, 391, 387, 388, 389, 368, 366, 381, 382, 383, 384, 385 und 386 zählen, von denen jeder in einer Richtung positioniert ist, die sich von im Wesentlichen vertikal, im Wesentlichen längs und im Wesentlichen quer verlaufend unterscheidet. Der Verstärkungsstreifen 393 wird als in einer gekrümmten Weise positioniert dargestellt, obwohl er bestimmte Abschnitte aufweist, die als im Wesentlichen vertikal angesehen werden können. Da das dargestellte Beispiel aus 3 den Verstärkungsstreifen 393 als einen einzigen, ungeteilten Streifen zeigt, ist er in dem vierten Teil der Mehrzahl der verstärkenden Titanstreifen enthalten. Andere Ausführungsformen können diesen Verstärkungsstreifen als Abschnitte aufweisen, wobei jeder Abschnitt in einem anderen Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen enthalten sein kann.
Es sollte beachtet werden, dass andere als die in 3 dargestellten Verstärkungsstreifen in diesen vier Teilen der Mehrzahl von verstärkenden Titanstreifen enthalten sein können. Daher zeigt 3 möglicherweise nicht alle möglichen Stellen zum Einbeziehen von verstärkenden Titanstreifen in dem Kraftmaschinenblock 60.
Es versteht sich außerdem, dass aus dem ersten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen eine erste Anzahl von Verstärkungsstreifen den Kraftmaschinenblock entlang der Querrichtung von der ersten Seitenfläche 317 zu der zweiten Seitenfläche 319 im Wesentlichen umspannen kann. Zum Beispiel kann der Verstärkungsstreifen 325 im Wesentlichen quer über eine Breite des Kraftmaschinenblocks 60, von der ersten Seitenfläche 317 zu der zweiten Seitenfläche 319, entlang der quer verlaufenden Kante 304 des Zylinderkopfdecks 312 verlaufen. Ein ähnlicher Verstärkungsstreifen, der in etwa die Breite des Kraftmaschinenblocks 60 von der zweiten Seitenfläche 319 bis zu der ersten Seitenfläche 317 umspannt, kann entlang einer oberen Kante des Zylinderkopfdecks 312 an der Vorderseite 318 positioniert sein. Daher zählt zu der ersten Anzahl des ersten Teils der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen bei dem gezeigten Beispiel aus 3 der Verstärkungsstreifen 325.
Bei dem gezeigten Beispiel umspannen, anders als der Verstärkungsstreifen 325, die Verstärkungsstreifen 335, 337, 333, 327, 329 und 331 aus dem ersten Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen möglicherweise nicht vollständig die Breite des Kraftmaschinenblocks 60 von der ersten Seitenfläche 317 zu der zweiten Seitenfläche 319. Zum Beispiel ist der Verstärkungsstreifen 335 ein relativ kürzerer Streifen, der über eine kurze Rippe auf der zweiten Seitenfläche 319 verläuft. In ähnlicher Weise erstrecken sich die Verstärkungsstreifen 329 und 331 zwischen zwei radialen Rippen 336 der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 und verlaufen nicht quer über die Breite des Kraftmaschinenblocks 60.
Eine zweite Anzahl des zweiten Teils der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen kann den Kraftmaschinenblock entlang der Längsrichtung von der vorderen Fläche 318 (auch als Vorderseite 318 bezeichnet) zu der hinteren Fläche 316 (auch als Rückseite 316 bezeichnet) des Kraftmaschinenblocks 60 im Wesentlichen umspannen. Zum Beispiel kann der Verstärkungsstreifen 341 entlang der Wannenschiene 352 zu der zweiten Anzahl des zweiten Teils der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen zählen. Wie in 3 zu sehen ist, erstreckt sich der Verstärkungsstreifen 341 im Wesentlichen von der Vorderseite 318 zu der Rückseite 316 in der Wannenschiene 352. Ein ähnlicher Verstärkungsstreifen, der in etwa eine Länge des Kraftmaschinenblocks 60 von der Vorderseite 318 zu der Rückseite 316 umspannt, kann entlang einer Wannenschiene auf der ersten Seitenfläche 317 positioniert sein. Aus dem zweiten Teil der in 3 gezeigten Mehrzahl von Verstärkungsstreifen umspannen die Verstärkungsstreifen 343, 345 und 347 möglicherweise nicht die Längsrichtung des Kraftmaschinenblocks, sondern können wesentlich kürzer als die Länge des Kraftmaschinenblocks 60 sein. Daher können die Verstärkungsstreifen 343, 345 und 347 kürzer als der Verstärkungsstreifen 341 sein.
Eine dritte Anzahl des dritten Teils der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan kann den Kraftmaschinenblock entlang der Vertikalrichtung von der unteren Fläche 313 zu der Oberseite 312 (auch als Zylinderkopfdeck 312 bezeichnet) des Kraftmaschinenblocks 60 im Wesentlichen umspannen. Ein Beispiel aus 3: Die Verstärkungsstreifen 353 und 355 können zu der dritten Anzahl des dritten Teils der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan zählen, da diese Streifen (353 und 355) sich im Wesentlichen von dem Zylinderkopfdeck 312 zu der Unterseite 313 erstrecken, wobei sie einen beträchtlichen Teil einer Höhe des Kraftmaschinenblocks 60 überqueren.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl in 3 die verstärkenden Titanstreifen auf den Rippen, Wannenschienen, Kühlmittelablaufsäulen liegend dargestellt sind, die Verstärkungsstreifen in den Rippen, Wannenschienen, Kühlmittelablaufsäulen usw. untergebracht sein können. Daher kann der duroplastische Verbundwerkstoff die Verstärkungsstreifen aus Titan in dem Kraftmaschinenblock einkapseln. Die Verstärkungsstreifen werden auf den zu verstärkenden Flächen oder Stellen liegend gezeigt, um ihre Positionen innerhalb des Kraftmaschinenblocks deutlich zu zeigen. Daher können die gewölbten Verstärkungsstreifen 366 und 368 in einer Gehäusestruktur in der Form von Bögen entlang der Getriebebefestigungs-Anschlussstelle 306 eingekapselt sein.
4 zeigt ein Verfahren 400 zum Herstellen einer Kraftmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren kann zum Herstellen des vorstehend mit Bezug auf 1 bis 3 erörterten Kraftmaschinenblocks verwendet werden oder kann zum Herstellen einer anderen geeigneten Kraftmaschine verwendet werden. Das Verfahren beinhaltet insbesondere ein Anordnen einer Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Metall entlang vorgegebener Stellen des Rahmens der Gussform des Kraftmaschinenblocks und ein Formen des Kraftmaschinenblocks durch Verwenden eines duroplastischen Verbundwerkstoffs. Die Verstärkungsstreifen können aus Titan hergestellt sein. Der duroplastische Verbundwerkstoff fließt in die Gussform des Kraftmaschinenblocks, und die verstärkenden Titanstreifen werden in dem duroplastischen Verbundwerkstoff eingekapselt, während sich der Kraftmaschinenblock aus duroplastischem Verbundwerkstoff abkühlt und verfestigt. Es sollte beachtet werden, dass die verstärkenden Titanstreifen für eine zusätzliche Verstärkung ergänzend zu der sorgen, die durch verstärkende Fasern in einer Polymermatrix des duroplastischen Verbundwerkstoffs geboten wird. Ferner kann der duroplastische Verbundwerkstoff andere Formen von Verstärkung wie beispielsweise eine partikelförmige Verstärkung aufweisen, ohne dass von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abgewichen würde.
Bei 402 beinhaltet das Verfahren 400 ein Positionieren der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen (aus Titan hergestellt) an gewünschten Stellen in der Gussform des Kraftmaschinenblocks. Ein erster Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan kann bei 404 entlang einer im Wesentlichen quer verlaufenden Richtung der Gussform des Kraftmaschinenblocks platziert werden. Daher kann (können) die Querrichtung (und die Längs- und Vertikalrichtung) der Gussform des Kraftmaschinenblocks dieselbe(n) wie die des Kraftmaschinenblocks sein. Anders ausgedrückt: Der erste Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan kann an Stellen angeordnet werden, die im Wesentlichen parallel zu der Querrichtung des Kraftmaschinenblocks sind. Wie bereits mit Bezug auf 3 beschrieben, können spezielle Stellen, z.B. Rippen, Schienen usw. ausgewählt werden, die entlang der Querrichtung des Kraftmaschinenblocks verlaufen. Dementsprechend können die Verstärkungsstreifen aus Titan entlang von Wegen angeordnet werden, die bei einem Kraftmaschinenbetrieb größeren Lasten, Kräften und Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Als Nächstes kann bei 406 ein zweiter Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks angeordnet werden. Anders ausgedrückt: Der zweite Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan kann an Stellen angeordnet werden, die im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung des Kraftmaschinenblocks sind.
Bei 408 kann ein dritter Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung des Kraftmaschinenblocks angeordnet werden. Anders ausgedrückt: Der dritte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan kann an Stellen angeordnet werden, die im Wesentlichen parallel zu der Vertikalrichtung des Kraftmaschinenblocks (oder der Gussform des Kraftmaschinenblocks) sind. Als Nächstes kann bei 410 ein vierter Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan in einer nicht quer, nicht längs und nicht vertikal verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks angeordnet werden. Anders ausgedrückt: Der vierte Teil der Mehrzahl von Verstärkungsstreifen aus Titan (z.B. die verbleibenden) kann an Stellen angeordnet sein, die nicht parallel zu der Längsrichtung, nicht parallel zu der Querrichtung und nicht parallel zu der Vertikalrichtung des Kraftmaschinenblocks liegen.
Als Nächstes beinhaltet bei 412 das Verfahren ein Einspritzen von duroplastischem Verbundwerkstoff in die Gussform des Kraftmaschinenblocks. Es sollte beachtet werden, dass es sich bei dem vorstehend beschriebenen Formgebungsprozess um Spritzgießen handelt. Andere geeignete Verfahren können zum Ausbilden des geformten Kraftmaschinenblocks der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Bei 414 werden die verstärkenden Titanstreifen durch den duroplastischen Verbundwerkstoff in der Gussform eingekapselt, und während sich der duroplastische Verbundwerkstoff abkühlt und verfestigt, können die verstärkenden Titanstreifen an den speziellen Stellen in den Kraftmaschinenblock integriert werden. Daher können die verstärkenden Titanstreifen in den duroplastischen Verbundwerkstoff integriert sein.
Auf diese Weise können Verstärkungsstreifen, die aus einem Metall mit einer hohen spezifischen Festigkeit wie beispielsweise Titan hergestellt sind, verwendet werden, um eine verbesserte Strukturstabilität und Festigkeit zu ermöglichen. Auf die Kraftmaschinen-Getriebeeinheit einwirkenden Biegekräften entlang der hinteren Fläche des Kraftmaschinenblocks, z.B. um die Getriebebefestigungs-Anschlussstelle, entlang der vorderen Fläche, der unteren Fläche zu den Wannenschienen hin sowie entlang des Zylinderkopfdecks des Kraftmaschinenblocks kann wesentlich entgegengewirkt werden, indem an diesen Stellen für zusätzliche Steifigkeit Verstärkungsstreifen integriert werden. Daher können statische und dynamische Lasten entlang kritischer Lastwege in dem Kraftmaschinenblock während eines Kraftmaschinenbetriebs durch Einbeziehen von Verstärkungsstreifen ausgeglichen werden. Die Verstärkungsstreifen sorgen für zusätzliche Stabilität (zusätzlich zu dem duroplastischen Verbundwerkstoff), während sie gleichzeitig leicht sind. Darüber hinaus können durch Verwenden eines Metalls mit niedriger Reaktivität wie beispielsweise Titan galvanische Reaktionen während eines Formens verringert werden.
Bei einer beispielhaften Darstellung kann eine Kraftmaschine einen Zylinderblock umfassen, der mithilfe einer Mehrzahl von selektiv in dem Zylinderblock positionierten Titanstreifen verstärkt wird, wobei die Mehrzahl von Titanstreifen an einer Mehrzahl von Stellen in dem Zylinderblock positioniert und durch duroplastischen Verbundwerkstoff eingekapselt ist, wobei sich die Titanstreifen von der in dem duroplastischen Verbundwerkstoff enthaltenen Faserfüllungs-Verstärkung unterscheiden.
Zu beachten ist, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuerungs- und Schätzroutinen mit verschiedenen Kraftmaschinen- und/oder Fahrzeugsystemausgestaltungen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerungsverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in nichtflüchtigem Speicher gespeichert sein und können durch das Steuersystem ausgeführt werden, zu dem das Steuergerät in Verbindung mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und anderer Kraftmaschinenhardware zählt. Die hier beschriebenen speziellen Routinen können eine oder mehrere aus einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien darstellen wie beispielsweise ereignisgesteuerte, interruptgesteuerte, Multitasking-, Multithreading-Verarbeitungsstrategien und dergleichen. Daher können verschiedene veranschaulichte Aktionen, Operationen und/oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel ausgeführt werden oder in einigen Fällen entfallen. In ähnlicher Weise ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erzielen, sondern dient zur Vereinfachung der Veranschaulichung und Beschreibung. In Abhängigkeit von der speziellen angewendeten Strategie können eine oder mehrere der veranschaulichten Aktionen, Operationen und/oder Funktionen wiederholt ausgeführt werden. Außerdem können die beschriebenen Aktionen, Operationen und/oder Funktionen grafisch Code repräsentieren, der in nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Kraftmaschinensteuersystem programmiert werden soll, wo die beschriebenen Aktionen durch Ausführen der Anweisungen in einem System ausgeführt werden, zu dem die verschiedenen Hardwarekomponenten der Kraftmaschine in Verbindung mit dem elektronischen Steuergerät zählen.
Es versteht sich, dass die hier offenbarten Ausgestaltungen und Routinen ihrem Wesen nach beispielhaft sind, und dass diese speziellen Ausführungsformen nicht als einschränkend betrachtet werden sollen, da zahlreiche Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann die vorstehend dargelegte Technologie auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, 4-Zylinder-Boxermotor- sowie andere Kraftmaschinentypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Ausgestaltungen sowie andere hier offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften.
Durch die folgenden Ansprüche werden insbesondere bestimmte als neuartig und nicht offensichtlich angesehene Kombinationen und Teilkombinationen aufgezeigt. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes" Element oder etwas Gleichwertiges beziehen. Derartige Ansprüche sollten so aufgefasst werden, dass sie ein Einbeziehen eines oder mehrerer solcher Elemente einschließen, ohne dass zwei oder mehr derartige Elemente erforderlich oder ausgeschlossen sind. Weitere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Ergänzen der vorliegenden Ansprüche oder durch Darlegen neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche werden unabhängig davon, ob sie im Verhältnis zu den ursprünglichen Ansprüchen hinsichtlich des Schutzbereichs weiter, enger, gleichwertig oder anders abgefasst sind, als ebenfalls in den Gegenstand der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4848292 [0003]

Claims

Verfahren zum Formen eines Kraftmaschinenblocks, das umfasst: Verstärken des Kraftmaschinenblocks mithilfe einer Mehrzahl von Metallstreifen, wobei ein erster Teil der Mehrzahl von Streifen in einer im Wesentlichen quer verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks positioniert ist, und ein zweiter Teil der Mehrzahl von Streifen in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Kraftmaschinenblocks positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kraftmaschinenblock ein Polymermaterial umfasst, und wobei die Streifen Titan umfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Polymermaterial einen duroplastischen Verbundwerkstoff aufweist, der eine Matrix aus duroplastischem Harz mit Verstärkungsfasern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder aus der Mehrzahl von Metallstreifen einen Streifen mit einheitlicher Breite und Dicke aufweist, mit einer Mehrzahl von Löchern, die entlang einer Mittellinie des Streifens verteilt sind, sowie einer Mehrzahl von halbkreisförmigen Ausschnitten entlang jedem Rand des Streifens.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Teil der Mehrzahl von Metallstreifen Metallstreifen aufweist, die entlang einer oder mehreren quer verlaufenden Kanten eines Zylinderkopfdecks des Kraftmaschinenblocks und einer quer verlaufenden Fläche einer Getriebebefestigungs-Anschlussstelle positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Anzahl des ersten Teils der Mehrzahl von Metallstreifen den Kraftmaschinenblock entlang der Querrichtung des Kraftmaschinenblocks von einer ersten Seitenfläche zu einer zweiten Seitenfläche des Kraftmaschinenblocks im Wesentlichen umspannt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eine zweite Anzahl des zweiten Teils der Mehrzahl von Metallstreifen eine Gesamtheit der Längsrichtung des Kraftmaschinenblocks von einer vorderen Fläche des Kraftmaschinenblocks zu einer hinteren Fläche des Kraftmaschinenblocks im Wesentlichen umspannt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Anzahl des zweiten Teils der Mehrzahl von Metallstreifen Metallstreifen aufweist, die entlang einer oder mehreren Wannenschienen zu einer Unterseite des Kraftmaschinenblocks hin positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein dritter Teil der Mehrzahl von Metallstreifen in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung des Kraftmaschinenblocks positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der dritte Teil der Mehrzahl von Metallstreifen Metallstreifen aufweist, die entlang einem oder mehreren Kühlmittelkanälen, Zylinderkopfschraubenpfeifen und Rippen positioniert sind, die in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung des Kraftmaschinenblocks positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mindestens eine dritte Anzahl des dritten Teils der Mehrzahl von Metallstreifen eine Gesamtheit der Vertikalrichtung von einer unteren Fläche des Kraftmaschinenblocks zu einer oberen Fläche des Kraftmaschinenblocks im Wesentlichen umspannt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein vierter Teil der Mehrzahl von Metallstreifen in einer nicht quer, nicht längs und nicht vertikal verlaufenden Richtung in dem Kraftmaschinenblock positioniert ist.
Kraftmaschine, die umfasst: einen Zylinderblock aus duroplastischem Verbundwerkstoff, der durch eine Mehrzahl von Titanstreifen in dem Zylinderblock verstärkt ist, wobei ein erster Teil der Mehrzahl von Titanstreifen in einer Querrichtung des Zylinderblocks positioniert ist, und wobei mindestens eine erste Anzahl des ersten Teils der Mehrzahl von Titanstreifen im Wesentlichen quer über eine Breite des Zylinderblocks entlang der Querrichtung von einer ersten Seitenfläche zu einer zweiten Seitenfläche verläuft.
Kraftmaschine nach Anspruch 13, wobei ein zweiter Teil der Mehrzahl von Titanstreifen in einer Längsrichtung des Zylinderblocks positioniert ist, und wobei mindestens eine zweite Anzahl des zweiten Teils der Mehrzahl von Titanstreifen eine Länge des Zylinderblocks entlang der Längsrichtung von einer vorderen Fläche des Zylinderblocks zu einer hinteren Fläche des Zylinderblocks im Wesentlichen umspannt.
Kraftmaschine nach Anspruch 14, wobei ein dritter Teil der Mehrzahl von Titanstreifen in einer Vertikalrichtung des Zylinderblocks positioniert ist, und wobei mindestens eine dritte Anzahl des dritten Teils der Mehrzahl von Titanstreifen eine Höhe des Zylinderblocks entlang der Vertikalrichtung von einer unteren Fläche des Zylinderblocks zu einer oberen Fläche des Zylinderblocks im Wesentlichen umspannt.
Kraftmaschine nach Anspruch 15, wobei ein vierter Teil der Mehrzahl von Titanstreifen in einer nicht quer, nicht längs und nicht vertikal verlaufenden Richtung in dem Zylinderblock positioniert ist.
Geformte Zylinderblockbaugruppe, die umfasst: einen Zylinderblock aus duroplastischem Verbundwerkstoff mit einer Getriebebefestigungs-Anschlussstelle und eine Mehrzahl von in den Zylinderblock integrierten Titanstreifen, wobei ein erster Teil der Mehrzahl von Titanstreifen in einer im Wesentlichen quer verlaufenden Richtung des Zylinderblocks integriert ist, ein zweiter Teil der Mehrzahl von Titanstreifen in einer im Wesentlichen längs verlaufenden Richtung des Zylinderblocks integriert ist und ein dritter Teil der Mehrzahl von Titanstreifen in einer im Wesentlichen vertikal verlaufenden Richtung des Zylinderblocks integriert ist.
Geformte Zylinderblockbaugruppe nach Anspruch 17, die ferner einen vierten Teil der Mehrzahl von Titanstreifen umfasst, der in einer sich im Wesentlichen von einer Quer-, Längs- oder Vertikalrichtung des Zylinderblocks unterscheidenden Richtung integriert ist.